Ни Бете, ни Вайцзеккер не рассматривали явным образом роль нейтрино как в протон-протонных, так и в CNO-цикле, хотя их учет был необходим для полноты картины; но те, кто пошел по их следам после войны, стали учитывать нейтрино, и вскоре стало очевидно, что эти частицы могут нести в себе информацию о внутреннем строении Солнца, поскольку они обладают способностью без труда проходить его насквозь.

В настоящее время известно три типа нейтрино. Первый из них, выделяемый сегодня в категорию «электронное нейтрино», был предугадан в 1931 г. австрийским физиком Вольфгангом Паули. Он постулировал существование частицы с нулевой массой и нулевым электрическим зарядом, которая уносит с собой энергию, казалось бы, бесследно утрачиваемую при бета-распаде. (Речь не идет о распаде электронов, а лишь об их испускании в виде «бета-лучей», регистрируемых при распаде радиоактивных ядер.) Позже Энрико Ферми развил идею Паули и присвоил этим частицам их современное название. Электронное нейтрино испускается вместе с позитроном в так называемом положительном бета-распаде, а электронное антинейтрино – вместе с электроном в отрицательном бета-распаде. Нейтрино обладают наибольшей проникающей способностью среди всех субатомных частиц. Они взаимодействуют с материей только посредством так называемого слабого взаимодействия и это не приводит к ионизации, поскольку частицы электрически нейтральны. При этом у нейтрино, движущегося сквозь Землю через ее центр, есть только один шанс из десяти миллиардов вступить во взаимодействие с протоном или нейтроном. Неудивительно поэтому, что электронное нейтрино не удавалось зарегистрировать вплоть до 1956 г., когда (в экспериментах, проведенных Фредериком Райнесом и Клайдом Л. Коуэном) пучок антинейтрино из ядерного реактора при взаимодействии с протонами вызвал рождение нейтронов и позитронов.

Потребность включить в рассмотрение нейтрино становилась все более очевидной во многих отраслях астрономического знания начиная с 1940‐х гг. В 1941 г. Гамов рассмотрел рождение нейтрино в качестве одного из факторов остывания гелиевых ядер звезд на определенной стадии их эволюции. Вскоре космологи, придерживавшиеся теории Большого взрыва (о которой будет подробно сказано в следующей главе), пришли к выводу, что нейтрино, оставшиеся после первых мгновений существования Вселенной, скорее всего, являются наиболее распространенными частицами, вероятная концентрация которых составляет порядка ста частиц на кубический сантиметр (при эффективной температуре 2 К). Они в изобилии рождаются при взрывах сверхновых, и неожиданная возможность наблюдать эти нейтрино возникла со вспышкой сверхновой в 1987 г. Они испускаются Солнцем, и (как уже говорилось) бо́льшая их часть проходит сквозь Землю, не замечая ее. (Часто указывается на то, что нейтрино, идущие от Солнца, днем нас «освещают» сверху, а ночью – снизу.) По существу, Солнце является нашей наиболее надежной лабораторией по изучению физики внутреннего строения звезд, используя существующую там нейтринную активность; впервые к этой идее серьезно отнеслись в 1955 г., и она обсуждалась в статье Реймонда Дэвиса.

Дэвис предложил способ регистрации нейтрино на основании того, что, взаимодействуя с хлором, они производят аргон. В 1967 г. он со своими коллегами сконструировал первый нейтринный детектор в виде очень большого резервуара, заполненного чистящей жидкостью, который был размещен глубоко под землей в угольной шахте Южной Дакоты. Они использовали его для демонстрации того, что солнечные нейтрино действительно существуют, но в гораздо меньшем количестве, чем это предсказывалось Джоном Бакалом и другими специалистами, использовавшими так называемую стандартную модель выработки солнечной энергии. Корректны ли проведенные ими измерения? Результаты последующих экспериментов не слишком различались. Может, стандартная солнечная модель ошибочна? При этом она правильно предсказывает многие другие свойства Солнца. Могут ли электронные нейтрино преобразовываться в другие, не регистрируемые разновидности (мюонные нейтрино и тау-нейтрино)? (См. подробнее о мюонных и таонных нейтрино на с. 923 главы 19.)

Убедительные доказательства этой третьей возможности были представлены в 1998 г. командой японских и американских физиков, что впоследствии стало широко известно под названием эксперимента Супер-Камиоканде. Подтверждение удалось извлечь из данных, полученных в течение первых двух лет проведения этой масштабной работы стоимостью 100 миллионов долларов, в которой использовалась полость, вырубленная под Японскими Альпами, облицованная нержавеющей сталью. Резервуар был заполнен 45 000 тонн сверхчистой воды и оборудован 13 000 оптических датчиков. (Эти датчики сами не генерировали световой сигнал, а регистрировали вспышку света, испускаемую единичным атомом.) Короче говоря, удалось обнаружить, как за время прохождения сквозь Землю мюонные нейтрино могут на какое-то время исчезать, а затем снова появляться. Было также установлено: масса нейтрино не равна нулю, и те из них, что возникли во время Большого взрыва, могут составлять заметную долю массы Вселенной. Эти результаты вызвали серьезный переполох в фундаментальной физике.

Что же касается солнечных нейтрино, проходимое ими расстояние (от Солнца до Земли) изменяется недостаточно для использования измерений, сделанных в рамках японской программы. Более перспективным способом доказательства того, что электронные нейтрино, возникшие на Солнце, переходят в состояние мюонных или тау-нейтрино, как стало ясно, является прямое наблюдение последних. За это взялась исследовательская группа, усилиями которой нейтринная обсерватория была построена в шахте неподалеку от Садбери (Онтарио, Канада). На глубине более двух километров в акриловой емкости, окруженной экраном из обычной воды и более чем 9500 светочувствительными фотоумножителями, содержится 1000 тонн тяжелой воды (D₂O). Дороговизна астрономии складывается не только из телескопов и космических аппаратов.

Есть и другие нейтринные обсерватории – как уже построенные, так и запланированные. В 2006 г. было заявлено о постройке американской обсерватории в Антарктике на глубине нескольких километров подо льдом, ей уже дали название IceCube («Ледяной куб»). Другая обсерватория, задуманная консорциумом европейских ученых, – близнец обсерватории «Ледяной куб», – будет установлена на дне моря, в самой глубокой части Средиземноморья. Ее название несет информацию о ее размерах: «Километр в кубе». Стоимость обсерватории – около 265 миллионов долларов – незначительная проблема по сравнению с устранением ожидаемых помех, источником которых могут стать светящиеся ракообразные.

Планы – планами, но уже в 2001 г., а затем еще раз в 2002 г. было заявлено о результатах, полученных обсерваторией Садбери. Удалось зарегистрировать нейтрино неэлектронного типа, прямо доказывающие, что эти частицы действительно могут менять свою разновидность. Теория вещества, используемая в старых вычислениях, оказалась неполной, что имело огромное значение не только для астрофизиков, но и для физиков. К великому удовлетворению большинства астрономов, «стандартная солнечная модель», судя по всему, благополучно выжила за счет небольшой поправки, связанной с переименованием частиц. Когда количество мюонных и тау-нейтрино прибавили к количеству электронных нейтрино, то их общее число оказалось более или менее таким же, как предсказанное моделью. В первые годы нового тысячелетия удалось сделать все для возвращения на сцену нейтринной астрономии, нацеленной на изучение процессов, происходящих глубоко внутри солнечного ядра.